三大主流金屬粉末成型技術(shù)的差異問(wèn)題回答
金屬粉末成形技術(shù)在發(fā)展數(shù)千年的歷史之后(最早在古埃及發(fā)現(xiàn)氧化鐵燒制的金屬制品，紀(jì)元前3000年)，但是要談到大量制造還是在19世紀(jì)初的50年代開始，然而愛迪生發(fā)明電燈促使了粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)的工業(yè)進(jìn)步 – 鎢燈絲的制作已經(jīng)是20世紀(jì)之初(1909年)，隨后鐵與銅金屬的粉末壓制與燒結(jié)(Press and sinter)便隨工業(yè)革命的帶動(dòng)迅速取代傳統(tǒng)金屬加工的方法，尤其是在鑄造和鍛造的齒輪件；在近代約50年前(1960-1970年)，金屬粉末成形技術(shù)迎來(lái)了兩個(gè)重要的年輕成員，金屬粉末注射成形(Metal – powder Injection Molding)與金屬增材制造(Metal Additive Manufacturing)，更是成為人類有史以來(lái)最頂尖的大量金屬零件制造工藝。請(qǐng)隨Dr. Q的隨后說(shuō)明來(lái)了解這三個(gè)當(dāng)代主流金屬粉末成形技術(shù)。最重要結(jié)論l金屬粉末成形技術(shù)的核心是粉末科學(xué)，這是重中之重；l粉末壓制與燒結(jié)法(PM)，成形過(guò)程的潤(rùn)滑劑(成形助劑)不超過(guò)3wt%，燒結(jié)后零件密度在85-95%相對(duì)密度、表面沒(méi)有致密層、幾何形狀為2-2.5D的大批量制品，適合單筆訂單大于10萬(wàn)件的月產(chǎn)能；l傳統(tǒng)壓制成形的粉末硬度低必須具有塑性變形能力，較硬質(zhì)粉末與硬質(zhì)合金的粉末冶金需要的成形助劑含量較高，因此也需要長(zhǎng)時(shí)間的脫脂；l金屬粉末注射成形(MIM)，因?yàn)榉勰┘?xì)小導(dǎo)致黏結(jié)劑(成形助劑>6wt%)較多，燒結(jié)后零件密度大于98%相對(duì)度、表面形成致密層、幾何形狀為3D的批量制品，適合單筆訂單大于1萬(wàn)件的月產(chǎn)能；l金屬增材制造(MAM)，燒結(jié)后零件密度大于98%相對(duì)密度、表面沒(méi)有致密層、幾何形狀為3D的少量制品，適合1~1000件以內(nèi)的月產(chǎn)能。成形助劑根據(jù)MAM工藝不同而有區(qū)別。1.對(duì)于PM/MIM/MAM所使用的粉末可不可以共享？為什么？答：如圖1所表示，三大主流金屬粉末成形技術(shù)使用的粉末粒徑分布，其中PM最粗大、MIM最細(xì)小，增材制造則居中(包含圖中的Binder Jet, PBF-LB, PBF-EB, and DED)。
圖1.不同的粉末成形技術(shù)使用不同粒徑分布的金屬材料粉末注意到PM和MIM工藝用的粉末顆粒都和MAM工藝用的有交互重迭，其中MAM說(shuō)的DED(定向能量沉積)其實(shí)就是已經(jīng)習(xí)用的粉末熱噴涂，這種工藝在煉鋼廠早就用來(lái)修復(fù)軋鋼的滾軋柱，經(jīng)過(guò)調(diào)整修改設(shè)備成為3D打印用的技術(shù)；粗粉的使用可以理解，同樣在細(xì)粉使用在增材制造也可以，但是固化3D建模的能量功率要降低，因此采用更低功率的激光和光斑(目前可以使用d50在3-5um的超細(xì)粉末，每層打印可以控制在0.01mm)，或改用低溫的噴射粘結(jié)劑，成形後再使用無(wú)差別高溫?zé)Y(jié)固化得到最終零件。
l生坯中至少的80%(同樣材質(zhì)以重量比即可，不同材質(zhì)的混合粉末必須換算成體積比)粉末粒徑小于30μm以下，同時(shí)生坯中的固體粉末堆積率>45vol%(體積分率)，才能夠精準(zhǔn)的以阿基米得原理來(lái)推算最終產(chǎn)品的尺寸；l因此PM和MAM的部分技術(shù)是沒(méi)有辦法推算其生坯與燒結(jié)坯的尺寸比例關(guān)系；l各種技術(shù)發(fā)展所使用的粉末粒徑有一定的區(qū)隔，無(wú)法混合使用；l大于50μm以上的金屬粉末所具有的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力(Drive force of sintering)大幅降低，無(wú)法有效的大范圍燒結(jié)并且融合再一起，這導(dǎo)致尺寸控制的方式不容易推算其數(shù)學(xué)模型，干擾因素太多；lPM的壓制后尺寸和燒結(jié)后的尺寸誤差僅為千分之2(0.2%收縮率)，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)累積；MAM使用熔融法則是精準(zhǔn)地控制激光光斑和熔池，尺寸的誤差約在0.5%；MIM與MAM燒結(jié)法采用MIM粉末制作成喂料，粉末的粒徑(>80%)小于30μm，才能在準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)燒結(jié)后的產(chǎn)品尺寸。
2.請(qǐng)簡(jiǎn)單描述PM/MIM/MAM的工藝流程圖，并比較之。答：2.1 PM (Press and Sinter)粉末壓制與燒結(jié)法的流程圖如圖2所表示，主力設(shè)備是僅能進(jìn)行上下閉合運(yùn)動(dòng)的壓機(jī)。這是一個(gè)近乎標(biāo)準(zhǔn)程序的流程，已經(jīng)有超過(guò)百年的歷史，進(jìn)步模具的設(shè)計(jì)和模架機(jī)構(gòu)使PM制品越來(lái)越精密且復(fù)雜。
圖2.粉末壓制與燒結(jié)法(PM)的工藝流程圖2.2MIM金屬粉末注射成形在1972年MIM工藝發(fā)明至今甫屆滿50周年，這工藝尚未完成標(biāo)準(zhǔn)化但已經(jīng)指日可待。將金屬零件可以被如塑料注射一樣的制作出來(lái)，這引起金屬加工與塑料制品業(yè)的不小震驚與騷動(dòng)!MIM成形的主要設(shè)備就是注射機(jī)，并須依靠精密的模具和流動(dòng)良好的喂料填充得到生坯，最終經(jīng)過(guò)脫脂燒結(jié)得到金屬零件。如下圖3所表示。
圖3.金屬粉末注射成形(MIM)的工藝流程圖
2.3MAM以金屬粉末做為增材制造成形的方式目前有許多的方式，如圖4所表示。大致分成三大類，即將金屬粉末直接熔融法制程(Melting process)和燒結(jié)法制程(Sintering process)，這些技術(shù)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)隨著技術(shù)的演變，也逐漸將材料、設(shè)備與方法清楚分類，并朝著更小的堆積層分辨率邁進(jìn)，使用較小范圍的激光光斑、低溫成形(噴膠打印)、高溫同步固化，逐漸擴(kuò)大產(chǎn)品量產(chǎn)的應(yīng)用范圍以及產(chǎn)出效率的提升，或是朝更高分辨率前進(jìn)。
圖4.金屬增材制造(MAM)的工藝流程圖3.請(qǐng)以材料、能量消耗和零件性能描述PM/MIM/MAM的工藝差異性答：lPM的粉末在沒(méi)有經(jīng)過(guò)燒結(jié)的再回利用是可以的，但因?yàn)閴褐坪蟮姆勰┳冃味炔煌?，主要是粉末在膜腔?nèi)堆積與壓制作用力導(dǎo)致殼層效應(yīng)(外殼密度高、芯部密度低)，只能降級(jí)使用而無(wú)法再度混合于同級(jí)正式量產(chǎn)品的生產(chǎn)上；lMIM的喂料在多次使用會(huì)分解并降低流動(dòng)性，但可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整補(bǔ)救，只要不經(jīng)過(guò)燒結(jié)，即便是脫脂后的棕坯(生坯經(jīng)過(guò)脫脂)仍可以破碎回收再制，但生坯(僅注射后)、棕坯需要區(qū)分開進(jìn)行回收，要建立嚴(yán)格的回收喂料機(jī)制；lMAM的粉末或是喂料是有區(qū)分的，熔融法的激光由于光斑能量密度高，不論是燒結(jié)還是熔融的過(guò)程會(huì)有少量跳火、小顆粒粉末局部團(tuán)聚的現(xiàn)象，要重復(fù)使用時(shí)必須先篩濾過(guò)團(tuán)聚的粉末，并且使用一定比例的新舊粉混合；間接燒結(jié)法使用粘結(jié)劑沾粘，一樣會(huì)造成粉末團(tuán)聚現(xiàn)象，重復(fù)使用也必須要過(guò)濾；另外使用MIM喂料絲打印后尚未燒結(jié)前的生坯或是脫脂后坯，都不宜回收使用，主要是重制絲材的技術(shù)和設(shè)備并不普及，建議報(bào)廢或是集中數(shù)量販賣給MIM喂料制造商回收。
4.PM/MIMMAM的產(chǎn)品特征差異處在哪？答：4.1 PM製品如圖5所展示的PM製品，產(chǎn)品的維度大多是2D，只有少部分斜面或非上下方向特徵可以借助模具的設(shè)計(jì)與後加工輔助完成2.5-3D造型。
5. 每件產(chǎn)品的重量都超過(guò)100g以上的不同PM制品展示，：(a)VVT(可變氣門正時(shí)）轉(zhuǎn)子/鏈輪；(b)鋁合金鏈輪；(c)軟磁定子；(d)橡膠包覆進(jìn)/排氣凸輪軸定子鏈輪(本零件榮獲世界PM2018產(chǎn)品獎(jiǎng))；(e)密度≥7.53 g/cm
3的打擊塊(本零件榮獲世界PM2018產(chǎn)品獎(jiǎng))，所有照片均由寧波東睦集團(tuán)NBTM提供。
4.2 MIM製品MIM制品如圖6所表示，都是一些形狀復(fù)雜的零件且產(chǎn)品重量沒(méi)有超過(guò)50g，大部分都低于10g甚至有0.5g的小產(chǎn)品。
圖6.
MIM制品的樣品展示(Dr. Q的MIM樣品盒)4.3 MAM制品圖7為MAM的最新微米級(jí)3D打印(資料提供系由江蘇云耀深維科技有限公司www.aixway3d.cn)，這是地表上最精細(xì)的SLM打印制品以及工藝。其他大型件我們就省略不談，增材制造的制程能力已經(jīng)迅速追趕PM/MIM並大幅度的超越(只需要一部打印機(jī)便可以取代亢長(zhǎng)的製造程序)。
圖7.MAM的最新微米級(jí)3D打印5. PM/MIM/MAM工藝的產(chǎn)出能力答：如圖8非常淺顯易懂的表示三個(gè)工藝的產(chǎn)出能力特色。PM僅能制作中度復(fù)雜特征，但能制作大件/量大的訂單；MIM可以制作復(fù)雜特征產(chǎn)能很大，但是重量不大；MAM則是數(shù)量不多，但制品的重量和復(fù)雜度都沒(méi)有限制。特別是MIM原本僅是取代精密鑄造(Investment casting, 又稱熔模鑄造、失蠟鑄造或脫蠟鑄造)，但是逐漸有侵入老大哥PM的領(lǐng)域，未來(lái)會(huì)更加大零件重量與尺寸的制造能力。
圖8.三大粉末成形技術(shù)的產(chǎn)出能力表示圖
6.什么是d50(粉末平均粒徑的中值)？答：請(qǐng)見下圖9所表示，這是常見的激光粒度儀檢驗(yàn)后的綜合數(shù)據(jù)、表格與圖形。這圖是非常重要的粉末性能報(bào)告，一定要了解之中的含意。
圖9.粉末激光粒度分析儀檢驗(yàn)后所獲的圖表lDXX(亦有小寫dxx)指的是平均粒徑的累積數(shù)值，其中XX是由0~100之間的數(shù)字，表示本批測(cè)量粉末顆粒數(shù)總量數(shù)字，當(dāng)粉末體是均質(zhì)物質(zhì)可以是重量比也可以理解為顆粒個(gè)數(shù)比，使用的是以含量%表示(藍(lán)色曲線)。lD10通常是累積到10%，D50到50%，以此類推。自然狀態(tài)下粉末的顆?？倲?shù)會(huì)行成高斯分布狀態(tài)(紅色曲線)，易即趨于中間值最多。l因此有四個(gè)重要的數(shù)值必須觀察：nD10 -這是可以作為最小粉末平均粒徑的依據(jù)，通常小于D10以下的粉末顆粒都很細(xì)微，不過(guò)D10不能太小，過(guò)多細(xì)小的顆粒會(huì)導(dǎo)致制程中設(shè)備的高度摩擦，并使喂料容易摩擦熱裂解；nD50-粉末平均粒徑中值是整批粉末的代表數(shù)值，這是整批粉末中顆粒最多的范圍聚集后平均數(shù)，購(gòu)買粉末與數(shù)學(xué)運(yùn)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；nD90-這是較大粉末平均粒徑的代表，由此開始必須控制D90-D100粉末數(shù)量的百分比nD97-這是最大粉末粒徑的限制條件，也有部分儀器是表示D99或D100，大顆粒粉末數(shù)量過(guò)多會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的干擾，隨后將說(shuō)明。l比表面積可以代表受測(cè)粉末的整體性質(zhì)，此數(shù)字月大代表粉末D50越朝細(xì)小前進(jìn)，小的粉末有比較大的數(shù)量並造成比表面積增大，因此會(huì)導(dǎo)致成形過(guò)程的阻力(模具、工具與治具的磨損，送料困難)l跨度，粉末跨度越大，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的孔隙度的增加與表面缺陷，主要在於大顆粒與小顆粒在燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的差異，較小粉末團(tuán)聚很快緻密，但位於較小粉末堆中的大顆粒難以燒結(jié)收縮，缺陷便產(chǎn)生如圖10所表示。
圖10.粉末顆粒過(guò)大造成產(chǎn)品的表面與內(nèi)部孔隙
7.對(duì)于PM/MIM/MAM工藝的綜合差異分析答：雖然在前面已經(jīng)有所描述，但仍將各項(xiàng)比較參數(shù)整理放置于表2所示。由于MAM是區(qū)分為兩大類別，熔融法比較偏向PM使用較大顆粒粉末，而燒結(jié)法則是使用與MIM相近的顆粒粉末，近年來(lái)MAM技術(shù)的發(fā)展到極小(可以接打印心臟血管用記憶合金支架，直徑約0.1mm中空特征，德國(guó)技術(shù))，到直接打飛機(jī)的尾翼與翅膀的大形結(jié)構(gòu)(超過(guò)百公斤，大陸開發(fā)的指向性激光打印設(shè)備)，都已經(jīng)超過(guò)PM/MIM的尺寸與重量限制(上下限)，同時(shí)還做到模造技術(shù)無(wú)法成型的網(wǎng)格或是晶格結(jié)構(gòu)(統(tǒng)稱拓樸結(jié)構(gòu))，請(qǐng)讀者注意。
表2. PM/MIM/MAM工藝的差異性
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制程 |
PM |
MIM |
MAM |
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零件幾何造型 |
2~2.5D |
3D |
3D |
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特征細(xì)節(jié)表現(xiàn) |
0.5mm |
0.01mm=10um |
0.05mm/層(最小) |
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最薄厚度特征 |
>1mm |
>0.08mm |
>0.1mm |
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中空結(jié)構(gòu) |
不可 |
可 |
可 |
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表面致密層 |
無(wú) |
有(0.01-0.1mm) |
無(wú) |
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格子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) |
無(wú)法 |
極難 |
可 |
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零件的尺寸公差 |
+/-0.1% |
+/-0.3% |
+/- 0.3% |
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黏結(jié)劑/成形助劑(wt%) |
<5% |
6-20% |
<5% |
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粉末粒度(Mesh #, μm)* |
-100#, +300#75-150μm |
-500#0.5-30μm |
-100#, +300#(PBF-EB)-400#, +500# 15-53μm (PBF-LB)-500#, <30μm (燒結(jié)法) |
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粉末篩分 |
篩網(wǎng) |
篩網(wǎng)與氣流篩 |
篩網(wǎng) |
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粉末粒度質(zhì)量檢驗(yàn) |
篩網(wǎng)+激光粒度分析 |
激光粒度分析 |
篩網(wǎng)+光粒度分析 |
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粉末形狀檢驗(yàn) |
光學(xué)顯微鏡(OM) |
電子顯微鏡(SEM) |
電子顯微鏡(SEM) |
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粉末流速檢驗(yàn) |
霍爾流速計(jì)與安息角測(cè)試 |
MFI熔指儀測(cè)試喂料 |
霍爾流速計(jì)與安息角測(cè)試 |
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粉末圓球度 |
0.4~0.6 |
>0.65 |
>0.85 |
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成形時(shí)粉末移動(dòng)距離 |
1-50mm不等 |
>500mm |
鋪粉后幾乎不動(dòng) |
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燒結(jié)坯相對(duì)密度 |
75~80% 使用粉末而定 |
>98% 通用 |
>98% DLM可近100% |
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代表金屬材料 |
鐵、銅為主的合金鎢重合金、不銹鋼 |
鐵系,不銹鋼,鈦,銅,鈷,鎢,鎳等系列合金 |
不銹鋼,鈦,鈷合金種類少 |
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生產(chǎn)效率 |
高/極高 |
高/極高 |
慢 |
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產(chǎn)品重量 |
5~50,000g |
0.001~5,000g |
0.5~100,000g |
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設(shè)備主力 |
壓機(jī)/模架/模具 |
注射機(jī)/模具 |
各式打印機(jī) |
8.PM/MIM主力設(shè)備比較答：PM/MIM的工藝流程在前都已經(jīng)敘述，重點(diǎn)的比較將放在設(shè)備對(duì)于原料制備、生坯成形、熱程序三大部分來(lái)做比較，讀者可以知道兩個(gè)制程的差異。l原料制備n粉末的制程不同。PM粉末大多使用還原法與水霧化法，具有比較大且表面不規(guī)則、粗糙的特性，需要的在于粉末有塑性變形能力以使壓制過(guò)程能夠互相產(chǎn)生機(jī)械冶金，其中海綿狀金屬是還原后的材料主要形狀，必須經(jīng)過(guò)破碎研磨過(guò)程，水霧化則是使用中壓水、大的噴嘴將材料噴出成粉；MIM的主流粉末獲得已經(jīng)是采用氣霧化法(Gas atomization)改良成為氣水聯(lián)合霧化法(Gas with water atomization)，利用高壓力的水、較小的噴嘴(孔直徑>3mm)幫助氣霧化粉快速冷卻并將粉末破碎的更細(xì)?。籲硬質(zhì)合金都是利用還原法獲得后再進(jìn)行研磨細(xì)化，不論P(yáng)M/MIM都一樣；n羰基法則僅用在鐵、鎳的高純粉末之獲得；鈦合金與高活性合金的MIM粉末就必須采用氣體保護(hù)的方式；n粉末與成形助劑的混合。PM大多產(chǎn)用簡(jiǎn)單的滾筒混合，大多采用干式混合，除了硬質(zhì)合金以溶劑采用濕法混合；MIM就分為水基(金屬較不采用水以免生銹)、蠟基、塑基三種聚合物的添加來(lái)制作注射用的喂料，因此MIM原料制配設(shè)備遠(yuǎn)高于PM的設(shè)備，產(chǎn)出效率也比較低。l生坯成形nPM使用立式壓機(jī)根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小，搭配模具和模座的設(shè)計(jì)甚至需要高度高于5米以上，主要在制品的階段多層(模具根據(jù)需要分為多段上下，上沖頭目前最多3段、下沖頭最多5段)設(shè)計(jì)，并可能利用側(cè)向氣缸來(lái)協(xié)助額外的產(chǎn)品特征需求，主要還是PM的工藝粉末流動(dòng)性無(wú)法如液體傳送均勻的壓力；MIM的喂料因?yàn)榧訜岷螽a(chǎn)生液化，因此可以均勻的傳送成形壓力使產(chǎn)品密度均勻。nPM的壓機(jī)設(shè)備價(jià)格不比MIM注射機(jī)便宜，在設(shè)備選型上更為復(fù)雜；n因此PM著重在模架與模具的搭配，比起MIM直接采用塑料用的模具較為復(fù)雜；l熱程序 – 第一步與第二步脫脂nPM的粉末粒徑大導(dǎo)致孔隙大，加上成形助劑占比很小，因此不需要脫脂(或稱排膠)；n硬質(zhì)合金就必須如MIM的方式緩慢的在低溫(>600℃)以每分鐘0.5-1℃、并分段保溫緩慢的脫脂；nMIM目前采用二步式脫脂，根據(jù)黏結(jié)劑的不同，第一步脫脂對(duì)于蠟基料首先要進(jìn)行溶劑脫脂(低于60℃的溶劑中浸泡)，而塑基料則進(jìn)行酸催化脫脂(90-140℃)，然后脫除剩余高溫骨架劑則在真空燒結(jié)爐或是正壓爐(連續(xù)式或批次式)進(jìn)行第二步熱脫脂到600℃才完全到脫除黏結(jié)劑并保持產(chǎn)品幾何特征的對(duì)稱性；l熱程序 – 燒結(jié)nPM大多不使用批次爐不代表不可用，主要PM制品重量大、數(shù)量龐大，需要較為經(jīng)濟(jì)型的燒結(jié)方式，網(wǎng)帶爐、推舟爐為主要，溫度并高于1200℃為主。燒結(jié)爐的保護(hù)氣大多以氨(NH
3)分解得到氮?dú)馀c氫氣；n硬質(zhì)合金大多使用石墨真空爐，燒結(jié)溫度要大于1500℃，氣體使用氮?dú)馀c真空不用氣體；nMIM分為兩大爐型，批次型的石墨或金屬熱場(chǎng)真空脫脂燒結(jié)爐以及連續(xù)型的陶瓷熱場(chǎng)步進(jìn)梁(Walking beam)連續(xù)爐，燒結(jié)溫度在1250-1400℃之間，石墨熱場(chǎng)爐使用氬氣與氮?dú)鈨煞N、金屬熱場(chǎng)爐與步進(jìn)梁連續(xù)爐均使用氫氣與氬氣與氮?dú)馊N氣體。
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